DE3116256C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Einstellen der Drehwinkelposition eines drehbaren Elementes gemäß dem Oberbe­ griff des Patentanspruchs 1.

Eine derartige Vorrichtung ist aus der DE-OS 17 77 160 bekannt. Das drehbare Element, z. B. die Arbeitsspindel oder der Dreh­ tisch einer Werkzeugmaschine, muß häufig auf eine genaue Win­ kelposition eingestellt werden, beispielsweise dann, wenn bei der automatischen Fertigung der Reihe nach eine Drehbearbeitung und eine Bohrbearbeitung auszuführen sind. Während der Drehbe­ arbeitung wird das drehbare Element über einen ersten Antrieb, den Hauptantrieb, rotierend angetrieben. Um eine genaue Dreh­ winkelposition einzustellen, wird der Hauptantrieb ausgeschal­ tet und ein zweiter Antrieb, ein separater Servoantrieb, ein­ geschaltet, der nur zur Winkeleinstellung dient. Die bekannte Vorrichtung ist so aufgebaut, daß zur genauen Drehwinkelein­ stellung des drehbaren Elements relativ viel Zeit benötigt wird.

Eine in der japanischen Offenlegungsschrift 53-95 379 beschrie­ bene andere Vorrichtung der genannten Art enthält einen Grob- Detektor sowie einen Fein-Detektor für die Winkelstellung und benötigt zwar weniger Zeit für die Winkelpositionierung des drehbaren Elementes, braucht aber ein relativ kompliziertes Steuersystem.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vor­ richtung zur Drehwinkeleinstellung der genannten Art so zu verbessern, daß sie bei relativ einfachem Auf­ bau eine schnelle und genaue Positionierung des drehbaren Elementes ermöglicht.

Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe ist im Patent­ anspruch 1 angegeben.

Vorteilhafte Weiterbildungen im Rahmen der Erfindung sind in den Unteransprüchen enthalten.

Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird in Verbin­ dung mit einer relativ einfachen Steuereinrichtung der für die genaue Drehwinkeleinstellung verantwortliche zweite Antrieb in der Regel bereits während einer über den ersten Antrieb durchgeführten Bearbeitungs-Drehbewegung auf eine vorbestimmte Bezugs-Winkelposition eingestellt. Nach der Bearbeitung kann daher der Drehtisch innerhalb äußerst kurzer Zeit auf die gewünschte, durch vorgegebene Daten defi­ nierte Winkelposition eingestellt werden.

Auch bei der Erfindung wird in vorteilhafter Weise die ge­ wünschte genaue Winkelposition durch ein Element mit geringer Masse wie den zweiten Antrieb (Servoantrieb) festgelegt. Wenn das einzustellende drehbare Element nach Abschaltung des ersten Antriebs aufgrund seiner relativ großen Massenträgheit die vorgegebene Bezugs-Winkel­ position überläuft, kann es durch den mit einem Kupplungsteil bereits auf die vorgegebene Bezugsposition voreingestellten Servoantrieb schnell und einfach in diese Bezugsposition und anschließend in die gewünschte Winkelposition gebracht werden.

Nachstehend wird ein die Merkmale der Erfindung aufweisendes Ausführungsbeispiel unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrich­ tung zur Einstellung einer Dreh­ winkelposition eines drehbaren Elements,

Fig. 2 eine schematische Darstellung zu einer Einzelpositionskupplung mit Ein­ griffspositionen E₁ bis E₇, durch die ein Drehtisch in eine Bezugs-Winkel­ position E₁ bringbar ist,

Fig. 3 eine grafische Darstellung der Drehwinkelbeziehungen zwischen dem drehbaren Element, Einzelpositionskupplungen und einem Abtastschalter und

Fig. 4 ein schematisches Blockschaltbild zu einem erfindungsgemäßen Steuer­ system.

In Fig. 1 ist als drehbares Element ein Drehtisch 10 um seine Hauptwelle 12 drehbar gelagert. Der Drehtisch 10 wird bei einer Werkstückbearbeitung über einen Hauptantrieb 20 rotierend angetrieben, der aus einem Motor 22, Getriebe 24, Winkel­ getriebe 26 und einer mit einer Einzelpositionskupplung 28 verbundenen Welle 30 besteht und über ein an der Welle 30 befestigtes Zahnrad 16 mit einem an der Haupt­ welle 12 des Drehtisches befestigten Zahnrad 14 im Ein­ griff befindlich ist.

Die Einzelpositionskupplung 28 umfaßt eine an der Welle 30 befestigte ausgehende Kupplungsscheibe 29 und eine konzentrisch um die Welle 30 drehbar ge­ lagerte eingehende Kupplungsscheibe 31, die mit der anderen Kupplungsscheibe 29 nur in einer einzigen Winkelposition in Eingriff bringbar ist. Das Getriebe 24 enthält (nicht dargestellt) Zahnräder zur Umschal­ tung zwischen einer hohen und einer niedrigen Drehzahl und eine Kupplung.

Zur genauen Drehwinkeleinstellung und Weiterschaltung des Drehtisches 10 dient ein Servoantrieb 32 mit einem Servomotor 34 mit zugeordnetem Drehmelder 36, einer mit einem Spielbeseitigungsmechanimus 38 verbundenen Welle 40 des Servomotors 34 und mit einer Einzelpositionskupplung 42. Eine eingehende Kupplungsscheibe 41 der Kupplung 42 ist mit einer Eingangswelle 44 verbunden, die ein Schneckenrad 48 trägt, in das eine von der Servomotor­ welle 40 angetriebene Schnecke 50 eingreift. Eine aus­ gehende Kupplungsscheibe 43 der Kupplung 42 ist über eine Ausgangswelle 46 mit einem Zahnrad 18 verbunden, welches in das mit dem Drehtisch 10 verbundene Tischzahn­ rad 14 eingreift. Die beiden Kupplungsscheiben 41 und 43 sind in einer einzigen Winkelposition miteinander in Ein­ griff bringbar.

Ein entsprechendes Schneckenrad 52 ist mit der eingehenden Kupplungsscheibe 31 der Einzel­ positionskupplung 28 gekuppelt. Im Eingriff mit dem Schneckenrad 52 ist eine Schnecke 54, die an einem Ende einer Welle 56 ausgebildet ist, die mit dem Spielbeseitigungsmechanis­ mus 38 verbunden ist.

Ein an einem nicht dargestellten Gehäuse befestigter erster Ab­ tastschalter 58 erfaßt jede Umdrehung der Eingangswelle 44 und hält den Servormotor 34 in einer bestimmten Bezugs­ winkelposition der Kupplungsscheiben 31 und 41 an. Im Ein­ schaltzustand des Schalters 58 wird ferner der Drehmelder 36 auf Null zurückgestellt.

Das Ausführungsbeispiel von Fig. 1 enthält zwei Einzelpositionskupplungen 28 und 42, damit der Dreh­ tisch 10 durch den Servoantrieb 32 auf zwei verschie­ denen Wegen spielfrei auf eine vorgegebene Winkelposition eingestellt wird. Wichtig ist, daß beide Kupplungen 28 und 42 die gleiche Phasenlage haben bzw. genau in der gleichen Winkelstellung eingreifen. Beide Einzel­ positionskupplungen 28 und 42 werden elektrisch akti­ viert und greifen dann mechanisch bei derselben Winkel­ position.

Abweichend von dem beschriebenen Ausführungsbeispiel kann die Drehwinkeleinstellung des Drehtisches 10 selbst­ verständlich auch über nur eine einzige Einzelpositions­ kupplung 42 erfolgen.

Wenn die Kupplung 28 greift, wird die Welle 30 über den Servomotor 34 angetrieben und gleichzeitig die (nicht dar­ gestellte) Kupplung im Getriebe 24 getrennt, damit der Motor 22 bei der Drehwinkeleinstellung nicht mitläuft. Zwischen dem Tischzahnrad 14 und den Zahnrädern 16, 18 besteht ein Zähnezahlverhältnis von 7 zu 1, so daß auf eine Umdrehung des Drehtisches 10 sieben Eingriffsmöglichkeiten der Einzelpo­ sitionskupplungen 28 und 42 kommen, wenn sie elektrisch aktiviert sind. Damit aber die Ein­ zelpositionskupplungen 28 und 42 im Verlauf einer voll­ ständigen Drehtisch-Umdrehung nur einmal eingreifen kön­ nen, ist neben der Hauptwelle 12 am Gehäuse ein zweiter Abtast­ schalter 60 befestigt, der durch einen an der Hauptwelle 12 befestigten Nocken 62 während einer vollständigen Drehung der Hauptwelle nur über einen eng begrenzten Winkelabschnitt eingeschaltet wird und dann ein Signal "EIN" an eine Steuereinheit 64 (Fig. 4) abgibt, damit durch dieses Signal die Kupplungen 28 und 42 aktiviert werden und greifen und so den Drehtisch 10 nur in einer vorgegebenen Winkelposition E₁ (Fig. 2) ausrichten. An dieser Stelle trägt das Ge­ häuse eine Marke P.

In Fig. 3 ist der Bewegungsablauf für einen Drehtisch­ umlauf grafisch dargestellt. Während einer Umdrehung des Drehtisches 10 und des Nockens 62 für den Schalter 60 bleiben die Kupplungsscheiben 31 und 41 stehen, während die Kupplungsscheiben 29 und 43 siebenmal umlaufen. Da der Abtastschalter 60 nur in der Position E₁ des Drehtisches 10 eingeschaltet wird, können die Kupplungsscheiben 29/31 und 41/43 nur in dieser Position durch Aktivierung der Kupplungen 28 und 42 in Eingriff gebracht werden. Statt des zuvor erwähnten Zähnezahlverhältnisses zwischen den Zahnrädern 14 und 16/18 von 7 zu 1 bei dieser Ausführung kann selbstverständlich auch ein anderes Übersetzungsver­ hältnis gewählt werden.

Die Steuereinheit 64 des in Fig. 4 dargestellten Steuer­ systems ist über eine Motortreiberschaltung 66 mit dem Motor 22, ferner mit den Abtastschaltern 58 und 60, den Kupplungen 28 und 42 sowie mit der nicht dargestellten Kupplung des Getriebes 24 verbunden, um diese Elemente zu steuern. Außerdem steht die Steuereinheit 64 in regem Signalaustausch sowie enger räumlicher Verbindung mit einer numerischen Steuerung 68. In einer Servomotortreiber­ schaltung 70 werden die Signale des Drehmelders 36 mit Signalen der numerischen Steuerung 68 verglichen und daraus ein Treibersignal für den Antrieb des Servomotors 34 er­ zeugt.

Nachstehend wird die Funktion der erfindungsgemäßen Vorrich­ tung im Betrieb erläutert.

Während einer Drehbearbeitung eines Werkstücks wird der Drehtisch 10 über das Ge­ triebe 24 durch den Motor 22 rotierend angetrieben, bis am Ende der Bearbeitung der Motor 22 stillge­ setzt wird.

Danach kann zur Einstellung einer Drehwinkelposition des Drehtisches 10 der Servomotor 34 eingeschaltet werden, jedoch wird dessen Drehbewegung nur auf die Kupplungsscheiben 31, 41 und noch nicht auf den Drehtisch 10 übertragen, weil die Kupplungen 28 und 42 noch getrennt sind. Sobald der Abtastschalter 58 durch die Eingangs­ welle 44 eingeschaltet wird, bleibt der Servomotor 34 augenblicklich stehen und wird elektrisch in dieser Position festgehalten. Damit werden gleichzeitig die Kupplungsscheiben 31 und 41 genau in einer vorbestimmten Bezugswinkelposition positioniert.

Die im vorstehenden Absatz erläuterten Funktionen laufen gewöhnlich bereits während einer Drehbearbeitung ab, ohne diese zu stören, weil steuerungsmäßig dafür gesorgt ist, daß der Abtastschalter 60 während der Drehbearbeitung durch den Hauptantrieb 20 nicht einge­ schaltet wird und folglich die Positionskupplungen 28 und 42 getrennt bleiben.

Wenn die Kupplungsscheiben 31 und 41 ihre vorbestimmte Bezugswinkelposition eingenommen haben, dreht der Motor 22 den Drehtisch in eine vorbestimmte Bezugsposition. Während dieses Vorganges laufen nur die ausgehenden Kupplungsschei­ ben 29 und 43 mit, weil die Kupplungen 28 und 42 getrennt bleiben. Die anderen Kupplungsscheiben 31 und 41 sind durch den bei diesem Schritt elektrisch verriegelten Servomotor 34 blockiert.

Sobald die Positionsmarkierung E₁ auf dem Drehtisch 10 mit der Gehäusemarkierung P übereinstimmt (Fig. 2), veran­ laßt der Hauptwellennocken 62 über den Abtastschalter 60 die Stillsetzung des Motors 22 in dieser Drehtisch­ position. Da der Drehtisch 10 aber eine relativ große Masse hat, wird er infolge seiner Trägheit gewöhnlich über diese Position hinaus verdreht werden und erst danach zum Stillstand kommen. Es tritt eine Winkeldifferenz ΔR zwischen der Drehtischbezugsmarke E₁ und der Gehäuse­ markierung P ein.

Durch das Einschaltsignal des Abtastschalters 60 werden automatisch die Einzelpositionskupplungen 28 und 42 aktiviert, und der Servomotor 34 wird eingeschaltet, der damit auch die Kupplungsscheiben 31 und 41 rotierend an­ treibt. Die Umdrehungen des Servomotors 34 werden lau­ fend vom Drehmelder 36 registriert.

Die vorgegebene Bezugswinkelposition oder Rastposition der Kupplungsscheiben 31 und 41 stimmt genau mit der Ge­ häuseposition P für den Drehtisch 10 überein, folglich kommen die Kupplungen 28 und 42 genau in ihre einzige Eingriffsstellung, wenn die Drehtischmarkierung E₁ der Gehäusemarkierung P genau gegenüberliegt. Wenn dieser Zustand von selbst eintritt, ist eine genaue Ausrichtung durch den Servomotor 34 überflüssig; normalerweise wird jedoch eine genaue Ausrichtung auf die Bezugswinkelposition durch den Servomotor 34 notwendig sein.

Wegen des Übersetzungsverhältnisses von 1 zu 7 zwischen den Zahnrädern 14 und 16/18 ergibt die Winkelabweichung ΔR des Drehtisches 10 gegenüber der Bezugsmarke P bei den Kupplungsscheiben 29 und 43 eine Winkeldifferenz von 7 · ΔR gegenüber der Bezugs-Winkelposition der Kupplungs­ scheiben 31 und 41, die von dem Servomotor 34 erst beseitigt werden muß, bis die Kupplungsscheiben 31 und 41 mit ihren Gegenscheiben 29 bzw. 43 in Eingriff kommen und die Kupplungen 28 und 42 damit eingerastet sind. Jede weitere Drehbewegung des Servomotors 34 über die eingerasteten Kupplungen 28 und 42 verdreht den Drehtisch 10.

Da mit Anlauf des Servomotors 34 die Steuereinheit 64 die Kupplung im Getriebe 24 getrennt hat, wird der Motor 22 nicht über die Welle 30 mitgenommen.

Wenn der Drehtisch 10 etwas weitergedreht wird, wird der Abtastschalter 60 ausgeschaltet und dadurch der Servo­ motor 34 angehalten. Damit ist die Einstellung des Drehtisches 10 in die vorbestimmte Bezugswinkelposition beendet, wobei die Kupplungen 28, 42 eingekuppelt bzw. eingerastet sind. Dann veranlassen in der numerischen Steuerung 68 ge­ speicherte Daten über entsprechende Signale die Einstel­ lung des Drehtisches 10 auf die durch diese Daten definierte genaue Winkelposition durch den Servomotor 34.

Bei der erfindungsgemäßen Drehwinkeleinstellvorrichtung kann eine vorgegebene Bezugswinkelposition bereits während einer laufenden Drehbearbeitung an einem Werkstück bei einem Servoantrieb voreingestellt werden, so daß der Drehtisch diese vorgegebene Bezugswinkelposition bei Bedarf in kürzester Zeit erreichen kann. Da die genaue Winkelein­ stellung in einem Antriebsbereich mit geringer Masse wie dem Servoantrieb vorgenommen wird, kann bei großer Einstell­ genauigkeit die gesamte Vorrichtung relativ einfach aufgebaut sein.

Claims (4)

1. Vorrichtung zum Einstellen der Drehwinkelposition eines drehbaren Elementes wie einer Arbeitsspindel oder eines Drehtisches einer Werkzeugmaschine mit

• - einem ersten Antrieb (22, 24, 26, 30, 16, 14, 12), mit dem das drehbare Element (10) zum Drehen bei einer Be­ arbeitungsoperation verbindbar ist,
• - einem zweiten Antrieb (34, 40, 50, 48, 44, 42, 46, 18, 14, 12), mit dem das drehbare Element für eine Drehwinkel­ einstellung verbindbar ist, und
• - einer Steuereinrichtung (64),

dadurch gekennzeichnet, daß

• - das drehbare Element (10) in einem vom ersten Antrieb getrennten Zustand mit dem zweiten Antrieb über mindestens eine Kupplung (28; 42) verbindbar ist, die zwei komplemen­ täre Kupplungsteile (29, 31; 41, 43) umfaßt, die nur in einer bestimmten einzigen Winkelstellung miteinander in Eingriff bringbar sind,
• - eine erste Abtasteinrichtung (58) vorhanden ist, die beim Erkennen einer vorbestimmten Bezugs-Winkelposition des vom zweiten Antrieb angetriebenen Kupplungsteiles (31; 41) ein Signal erzeugt,
• - eine zweite Abtasteinrichtung (60) zum Ermitteln der vor­ bestimmten Bezugs-Winkelposition des drehbaren Elementes vorhanden ist, und
• - die Steuereinrichtung (64) in Abhängigkeit vom Signal der ersten Abtasteinrichtung (58) die Bewegung des zweiten An­ triebs kontrolliert und diesen durch Festsetzen des einen Kupplungsteiles (31; 41) in der vorbestimmten Bezugs- Winkelposition anhält, die Steuereinrichtung (64) ferner in Abhängigkeit vom Signal der zweiten Abtasteinrichtung (60) den Eingriff des anderen Kupplungsteiles (29; 43) in den ersten Kupplungsteil (31; 41) in der bestimmten einzigen Winkelstellung veranlaßt, wenn das drehbare Element (10) die vorbestimmte Bezugs-Winkelposition erreicht hat, und die Steuereinrichtung (64) bei eingerasteten Kupplungsteilen (29, 31; 41, 43) den zweiten Antrieb (Motor 34) nach Maß­ gabe von durch eine NC-Steuerung (68) eingegebenen Daten so steuert, daß der zweite Antrieb das drehbare Element (10) aus der vorbestimmten Bezugs-Winkelposition in eine durch die Daten definierte Winkelposition dreht.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine mit dem zweiten Antrieb verbundene dritte Abtastein­ richtung (36) in ihre Ausgangsposition rückstellbar ist, wenn die erste Abtasteinrichtung (58) erkennt, daß das eine Kupplungsteil (31; 41) die vorbestimmte Bezugs-Winkelposi­ tion erreicht hat.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß als Kupplung ein Kupplungspaar (28, 42) vorgesehen ist und daß zwischen dem Antriebsmotor (34) des zweiten Antriebs und der Kupplung (28, 42) ein Spielbeseiti­ gungsmechanismus (38) angeordnet ist.